基于分子动力学的单晶硅超精密加工机理研究

摘要

单晶硅具有高强度、耐腐蚀、抗氧化、耐高温、耐磨损等独特的力学和物理性能，在不同领域的集成应用中起着重要的作用，例如半导体器件、传感器、机械元件和电子产品。超精密加工是一种纳米尺度上现代超精密机械去除技术，已被应用到生成零件的亚纳米级形状精度和纳米表面质量。然而，单晶硅的高硬度、高脆性、低塑性、微裂纹等缺点限制了它的应用。在单晶硅的超精密加工过程中，会产生表面/亚表面裂纹、位错、残余应力、相变等多种类型的损伤。
　　超精密加工本质上是一个高度动态性、非线性的强热力耦合过程，是一个涉及到力学、物理、摩擦学、数学等多个学科的复杂工程，而目前的实验条件还很难观察到纳米尺度的加工过程。分子动力学(MD)模拟作为研究纳米尺度加工最重要的方法之一，在近几十年以来吸引了越来越多的关注，特别是对硬脆材料的纳米加工研究。因此，本文运用分子动力学深入研究了纳米尺度加工。在单晶硅的纳米加工过程中，为了减少亚表面损伤和提高材料去除率，本文通过建立相应的三维MD模型分别研究了刀具几何形状、辅助激光参数和结构化刀具参数对亚表面损伤和材料去除率的影响。
　　论文主要研究工作如下：
　　(1)建立了带有不同几何形状的金刚石刀具切削单晶硅的三维分子动力学模型。通过分析相变、切屑、静水应力、剪切应力和工件变形，详细研究了刀具几何形状包括前角、后角和刃口半径对材料变形的影响，揭示了正前角尖端、更大的后角尖端或者更小的刃口半径尖端将导致更小的切削力、更好的亚表面和更多的切屑量。更大的负前角尖端切削有更大的静水应力和剪切应力。然而，正前角尖端切削具有更大的平均摩擦系数，这意味着负前角尖端切削经历了更低的阻力率。研究结果还指出，正前角尖端或者更小刃口半径尖端将提高切削表面的光滑度。更大的后角尖端切削产生了更多切削热；通过分析相变、切屑、位错运动、静水应力、von mises应力、剪切应力和工件变形，研究了锥形金刚石压头的半顶角对亚表面损伤和划擦表面完整性的影响，揭示了更大的半顶角压头划擦造成了更高的静水应力、更大的切屑量和更高的工件温度，且增加了亚表面损伤。研究结果还指出，晶相演变和静水应力以及温度分布一致，更大的半顶角压头划擦将导致更大划擦力和更大相变区域。并且，通过建立理论分析模型揭示了在纳米划擦过程中，一个更大的半顶角压头更可能导致不全位错发射。
　　(2)第一次在纳米尺度上阐释了激光辅助加工机理，建立了激光辅助磨削的三维分子动力学模型。通过深入分析原子轨迹、相变、温度分布、工件平均温度、磨削力和摩擦系数，研究了激光移动速度、激光脉冲强度和激光光斑半径对磨削深度、材料去除率的影响，揭示了更高的激光移动速度降低了亚表面损伤，提高了材料去除率，且切削力随激光运动速度增加而减小。随着激光脉冲强度增大，摩擦系数减小了，材料去除率提高了，磨削深度增加了。然而，更大的激光脉冲强度可能导致更大的工件热变形。更大的激光光斑半径减小了磨削深度，但增加了激光辐照范围。此外，综合对比了传统加工和激光辅助加工，揭示了 LAM降低了亚表面损伤，改善了磨削表面质量且提高了材料去除率。并且，LAM还减小了磨削力和摩擦系数。因此，我们可以根据激光移动速度、激光脉冲强度和激光光斑半径来控制和调整激光参数。激光辅助加工提供了一个有前景的技术，可以改善表面完整性和磨削表面平滑度。
　　(3)第一次运用分子动力学模拟从纳米尺度上详细分析了使用激光纳米结构化金刚石刀具切削的有利条件和不利条件。根据激光结构化刀具的定义，分别建立了金字塔尖端刀具、圆弧形状的沟槽刀具、V形状的沟槽刀具和非结构化的刀具，揭示了结构化刀具切削造成了更小的静水应力、更小的压缩应力?xx和?yy、更低的温度和更小的切削力。然而，结构化刀具切削导致了更小的切屑量和更多的beta硅相。V形状的沟槽刀具可以减小纳米切削过程中的切削阻力。分析了纳米结构化刀具切削下的亚表面温度和亚表面势能。此外，建立了一个理论分析模型去研究纳米切削过程中工件的残余应力分布。
　　(4)通过建立一系列三维 MD模型，第一次从纳米尺度上深入研究了沟槽方向、沟槽深度、沟槽宽度、沟槽因子和沟槽形状对工件材料去除行为的影响，揭示了沟槽方向为60o的刀具切削具有更小的切削力、更少的切削热、更多的 beta硅相、更小的von mises应力和静水应力。更小沟槽方向的刀具、更小沟槽深度的刀具、更小沟槽宽度的刀具或者更大沟槽因子的刀具将导致更加延性的切削模式和更大的材料去除率。然而，更小沟槽宽度的刀具切削导致了更多的切削热。工件亚表面的平均温度随沟槽因子增加而增加。此外，V形状的沟槽刀具切削可以提高纳米级切削的材料去除能力。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状综述

1.3论文的主要研究内容

第2章 刀具几何形状对亚表面损伤和材料去除的影响

2.1引言

2.2不同几何形状刀具切削的三维分子动力学模拟

2.3模拟结果讨论

2.4锥形金刚石压头几何形状对亚表面损伤和材料去除的影响

2.5不同压头几何形状加工的理论模型

2.6本章小结

第3章 纳米尺度激光辅助加工的亚表面损伤和材料去除研究

3.1引言

3.2激光辅助加工的原子模拟

3.3激光辅助加工的结果及讨论

3.4传统纳米加工和激光辅助纳米加工的对比

3.5本章小结

第4章 激光纳米结构化金刚石刀具切削的数值研究

4.1引言

4.2纳米结构化金刚石刀具切削的原子模拟

4.3纳米结构化金刚石刀具切削的结果及讨论

4.4残余应力理论模型

4.5本章小结

第5章 不同激光纳米结构化金刚石刀具的切削行为

5.1引言

5.2不同纳米结构化金刚石刀具切削的原子模拟

5.3不同纳米结构化金刚石刀具切削的结果及讨论

5.4本章小结

结论与展望

本论文主要创新点如下：

本论文主要研究结论如下：

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文

附录B攻读学位期间所申请的专利目录

附录C 攻读学位期间参与的科研项目